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Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 1 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA DEPARTAMENTO DE REGULACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS SISTEMA DE BOMBEO EFICIENTE CON VARIADORES DE FRECUENCIA MEMORIA ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 2 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA IDENTIFICACIÓN GENERAL CURSO 09/10 Profesor del Proyecto: D. Juan Luis Villa Gazulla Correo electrónico: [email protected] Despacho: C4-3-7. Edificio Torres Quevedo Departamento: Ingeniería Eléctrica Autor: Daniel Pascua González Titulación: Ingeniero Técnico Industrial por la Universidad de Zaragoza Especialidad: Electrónica DNI: 70864979-R Dirección: C/ Paseo de Alcañiz 70 Localidad: Calanda (Teruel) Teléfono: 626646873 Correo electrónico: daniel-pasc[email protected] Fecha y Firma Daniel Pascua González Zaragoza, a 12 de Mayo de 2010 Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 3 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA ÍNDICE 1.- OBJETO 2.- JUSTIFICACIÓN DE LAS ACTUACIONES 3.- ELEMENTOS CONDICIONANTES DEL DISEÑO 4.- INGENIERÍA DE DISEÑO 4.1- BALSAS DE REGULACIÓN 4.2- ESTACIÓN DE BOMBEO 4.3.- REDES DE RIEGO 5.- ESTUDIO AGRONÓMICO 5.1.- INTRODUCCIÓN 5.2.-ESTUDIO DE NECESIDADES HÍDRICAS 5.2.1.- CARACTERÍSTICAS CLIMÁTICAS 5.2.2- CÁLCULO DE LA PRECIPITACIÓN EFECTIVA 5.2.3.- CÁLCULO DE LAS NECESIDADES HÍDRICAS NETAS 5.2.4.- CÁLCULO DE LAS NECESIDADES BRUTAS DE AGUA 5.2.5.- NECESIDADES BRUTAS DE LOS CULTIVOS 5.2.6.- NECESIDADES BRUTAS TOTALES DE LA ALTERNATIVA 5.3.- CONCLUSIÓN DE LAS NECESIDADES 6.- PARÁMETROS DEL RIEGO Y DOTACIONES 6.1.- INTRODUCCIÓN Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 4 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA 6.2.- CAUDAL FICTICIO CONTINUO 6.3.- GARANTÍA DE SUMINISTRO 6.4.- FRECUENCIA DE RIEGO 6.5.- DURACIÓN DE LA JORNADA DIARIA DE RIEGO 6.6.- DURACIÓN DEL RIEGO EN PARCELA. CAUDAL INSTALACIÓN 6.7.- CAUDAL DE DISEÑO 7.- BALSAS DE REGULACIÓN 7.1.- INTRODUCCIÓN 7.2.- NECESIDADES DE REGULACIÓN 7.3.- LOCALIZACIÓN Y TOPOGRAFÍA 7.4.- CÁLCULO DE ESTABILIDAD DE LOS TALUDES 7.5.- CÁLCULO DEL ANCHO DE CORONACIÓN DE LA BALSA 7.6.- RESGUARDO NECESARIO 7.7.- TOMA DE FONDO DE LA TUBERÍA 7.8.- IMPERMEABILIZACIÓN, GEOTEXTILES Y DRENAJES 7.9.- OTROS ELEMENTOS 7.9.1.- VALLADO PERIMETRAL 7.9.2.- ELEMENTOS DE SEGURIDAD Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 5 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA 8.- CÁLCULOS DE LA RED DE RIEGO A PRESIÓN 8.1.- DESCRIPCIÓN DE LA RED 8.2.- REDES DE RIEGO 8.3.- MATERIALES 8.4.- DIMENSIONADO DE LA RED 8.4.1.-CRITERIOS HIDRÁULICOS PARA EL DIMENSIONADO DE LA RED DE TUBERIAS 8.4.2.- CÁLCULO DE LOS CAUDALES DE LAS REDES 8.5.- VENTOSAS Y PURGADORES 8.5.1.- UBICACIÓN DE VENTOSAS 8.5.2.-DIMENSIONADO DE LAS VENTOSAS 8.6.- DESAGÜES 8.7.- BY-PASSES 8.8.- SECCIONAMIENTO DE LA RED 8.9.- ELEMENTOS DE LA TOMA DE RIEGO 9.- ESTACIÓN DE BOMBEO, EQUIPOS HIDRÁULICOS, FILTRADOS Y PROTECCIONES 9.1.- INTRODUCCIÓN 9.2.- DIMENSIONADO GEOMÉTRICO. DESCRIPCIÓN DE LOS ELEMENTOS 9.3.- CURVA DE DEMANDA DE LA INSTALACIÓN 9.4.- FRACCIONAMIENTO DEL BOMBEO. EQUIPOS DE BOMBEO Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 6 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA 9.4.1.- BOMBAS 9.4.2.- POTENCIA UNITARIA. CURVA DE LA BOMBA 9.4.3.- CURVA CARACTERÍSTICA DE LOS GRUPOS DE BOMBEO 9.4.4.- COMPOSICIÓN GENERAL DEL FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA 9.5.- FUNCIONAMIENTO DE LAS BOMBAS EN LA ESTACIÓN DE BOMBEO 9.6.- CÁLCULOS JUSTIFICATIVOS DEL RENDIMEINTO DE LA INSTALACIÓN 9.7.- PROTECCIÓN CONTRA EL GOLPE DE ARIETE 9.7.1.- CONSECUENCIAS 9.7.2.- PROTECCIONES 9.8.- SISTEMA DE FILTRADO 9.8.1.- INTRODUCCIÓN 9.8.2.- DESCRIPCIÓN 9.8.3.- FUNCIONAMIENTO 10.- ESTUDIO DE BAJA TENSIÓN 10.1.- OBJETO DEL ESTUDIO 10.2.- GENERALIDADES 10.3.- NORMATIVA APLICABLE 10.4.- CLASIFICACIÓN DEL LOCAL A EFECTOS DE INSTALACIÓN ELÉCTRICA Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 7 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA 10.5.- SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y POTENCIA A CONTRATAR 10.6.- CARACTERÍSTICAS DE LA INSTALACIÓN ELÉCTRICA 10.6.1.- CAMINOS DE CABLES. CANALIZACIONES 10.6.2.- ACOMETIDA DE BAJA TENSIÓN. (ACOMETIDA A CGBT) 10.6.3.- CUADRO GENERAL DE DISTRIBUCIÓN DE BAJA TENSIÓN 10.6.4.- BORNAS DE SALIDA 10.6.5.- ACOMETIDAS A MOTORES Y EQUIPOS 10.6.6.- ALUMBRADO 10.6.7.- ALUMBRADO DE EMERGENCIA 10.6.8.- SISTEMA DE CONTROL Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 8 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA 1.- OBJETO El presente proyecto se enfoca en la modernización del sistema de regadío de una Comunidad de Regantes. La ultima modernización data de mediados del siglo pasado y la transformación realizada fue de riego por gravedad (inundación), ya que por aquel entonces, no se había desarrollado suficientemente la tecnología del riego a presión. La red de acequias está formada por unas acequias generales de hormigón y las acequias secundarias del tipo prefabricado (canaletas). Dada la época en que se construyeron dichas acequias, se puede considerar que ya ha culminado la vida útil de estas redes. Los volúmenes totales de riego utilizados en la Comunidad de Regantes ascienden a 4.5 Hm3, lo que supone un volumen medio de consumo de agua de 4832 m3/Ha*año. El objetivo del proyecto es la instalación de infraestructuras que permitan el cambio de sistema de riego. Se trata de sustituir la distribución del agua en turnos a través de acequias por un reparto a la demanda mediante redes a presión constante sobre una superficie de 1000 hectáreas aproximadamente. Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 9 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA 2.- JUSTIFICACIÓN DE LAS ACTUACIONES La finalidad principal del Proyecto es la instalación de un sistema de distribución dependiendo de la demanda, entregando el agua en tomas de riego colocadas en las parcelas, a partir de la cual cada agricultor podrá instalar riego por aspersión, bien con cobertura total enterrada, con pivote o riego localizado. En cualquier caso, las consecuencias inmediatas serán: o Disminución del volumen total aplicado por unidad de superficie. o Disminución de la lámina aplicada por cada riego, especialmente importante en los riegos de nascencia. En riegos por gravedad es difícil aplicar menos de 100 mm, mientras que con aspersión pueden darse riegos de 4 mm, suficientes para provocar la germinación de la semilla. o Disminución de las pérdidas de fertilizantes por lixiviación o La contaminación de acuíferos y ríos se reducirá notablemente debido al control de los lixiviados. o Podrá realizarse el control automático del agua aplicada basado en las demandas reales de riego. o Incremento en 3,5 veces la extensión de la superficie regable Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 16 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA 4.- Cálculo de las necesidades brutas de agua de riego en los cultivos (NRb): consideradas como la cantidad de agua que el sistema de riego ha de proporcionar en parcela para que, una vez deducidas las pérdidas debidas a la propia eficiencia del riego, la cantidad de agua que se almacene en dicha zona radical sea igual alas NHn del cultivo 5.2.1- CARACTERÍSTICAS CLIMÁTICAS La comarcalización de cada una de las provincias tiene su razón en la uniformidad en sus características naturales, económicas y sociales y climáticas. Es por eso que, para realizar un estudio de necesidades hídricas, se considerarán los datos meteorológicos registrados en una estación meteorológica, que se ajustarán mejor a la realidad de la zona. Los datos a registrar serán: - Precipitación total mensual medida en mm. - Media mensual de la temperatura media diaria del aire en º C. - Media mensual de la evapotranspiración diaria de una hierba en mm/día. Tomaremos como datos arbitrarios los recogidos en una población con un clima continental con una temperatura media anual de 14.3 º C., siendo Diciembre el mes más frío con 4.5 ª C. de temperatura media y Julio y Agosto los más calurosos con 24.5 º C. La precipitación media anual es de 525 mm. Siendo Mayo el mes más lluvioso con 56,1 mm. de precipitación media, y Julio el más seco con 28.2 mm. La ETo media anual es de 1303 mm, siendo Enero y Diciembre los meses en que es menor con 18.3 y 12.2 mm., respectivamente. Julio es el que mayor con 231.8 mm. La estimación de dicha evapotranspiración se ha realizado según el método de FAO-USDA Blaney-Criddle que consiste: ETo = p (0,46 Tm + 8) donde: - ETo = evapotranspiración de referencia (en mm/día) (promedio en un periodo de 1 mes) -Tm = temperatura media diaria (ºC) - p = % diario de horas de luz del mes, con respecto al total anual. Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 17 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA 5.2.2-CÁLCULO DE LA PRECIPITACIÓN EFECTIVA Hasta ahora hemos comentado únicamente las necesidades de agua, sin embargo, puede haber aportes de agua diferentes de los aportes hídricos del propio riego. Se consideran nulos los posibles aportes por parte del rocío y de las capas freáticas altas. Sólo se contabilizarán como aportes positivos, las lluvias y, dentro de ellas, se considerará únicamente la porción de lluvia considerada como precipitación efectiva. Así, desde un punto de vista agronómico, se considera como precipitación efectiva a la porción de lluvia que satisface parte de las necesidades de consumo de agua del cultivo. Esta precipitación efectiva depende de factores como: - Intensidad de la precipitación. - Contenido de humedad del suelo antes de la lluvia. - Tasa de infiltración del suelo - Capacidad de retención de agua en la zona radicular del cultivo - Evapotranspiración del cultivo. 5.2.3.- CÁLCULO DE LAS NECESIDADES HÍDRICAS NETAS Las necesidades hídricas se calculan, una vez determinado el valor de la precipitación efectiva, como la diferencia entre la evapotranspiración del cultivo y la precipitación efectiva. En el proceso de cálculo seguido se han considerado las condiciones locales de cada cultivo, reflejándose este hecho en la obtención de estas necesidades netas. 5.2.4.- CÁLCULO DE LAS NECESIDADES BRUTAS DE AGUA Para la estimación de las necesidades brutas de agua de riego es necesario conocer la eficiencia actual y futura en la aplicación de riego (relación entre al agua aplicada y la realmente útil para las plantas). En la eficiencia de aplicación del riego influyen varios factores como: - Calidad de los materiales. - Diseño de la instalación - Manejo del riego (frecuencia y tiempo de los riegos) - Mantenimiento de las instalaciones Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 18 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Las necesidades reales o necesidades brutas de riego se obtendrán restando a la evapotranspiración del cultivo las lluvias efectivas y dividiéndolo por el coeficiente de eficiencia del riego. 5.2.5.- NECESIDADES BRUTAS DE LOS CULTIVOS En este apartado procederemos a la estimación de las necesidades brutas de agua de riego para cada uno de los cultivos que entran a formar parte de la alternativa de cultivos estudiada. Posteriormente, una vez conocidas esas necesidades brutas de agua de riego para cada uno de los cultivos, se procederá a la estimación de las necesidades brutas de agua de riego para el conjunto de la alternativa de cultivos estudiada (maíz y alfalfa), considerando para ello la superficie total estimada para cada uno de los cultivos. Considerando la estación meteorológica anteriormente comentada, obtenemos la siguiente información para el cultivo del maíz MAÍZ MES ETc (mm) PE (mm) NHn (mm) NHb (mm) MAYO 58 43 16 21 JUNIO 116 41 75 100 JULIO 202 25 177 236 AGOSTO 183 31 153 204 SEPTIEMBRE 105 33 72 96 OCTUBRE 6 6 1 1 ESTACIONAL 670 179 494 658 Con lo que determinamos: MESES Necesidad real (mm/mes) Necesidad real (m3/ Ha y mes) MAYO 21 210 JUNIO 100 1000 JULIO 236 2360 AGOSTO 204 2040 SEPTIEMBRE 96 960 OCTUBRE 1 10 TOTAL 6.580 Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 19 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA El consumo que demanda el cultivo del maíz es de 6.580 m3/Ha y año. ALFALFA: MES ETc (mm) PE (mm) NHn (mm) NHb (mm) MARZO 54 25 29 39 ABRIL 72 40 32 43 MAYO 98 48 50 67 JUNIO 135 43 92 123 JULIO 165 23 142 189 AGOSTO 146 28 118 157 SEPTIEMBRE 96 32 64 85 OCTUBRE 57 40 17 23 ESTACIONAL 895 351 544 726 Con lo que determinamos: MESES Necesidad real (mm/mes) Necesidad real (m3/ Ha y mes) MARZO 39 390 ABRIL 43 430 MAYO 67 670 JUNIO 123 1230 JULIO 189 1890 AGOSTO 157 1570 SEPTIEMBRE 85 850 OCTUBRE 23 230 TOTAL 7.260 El consumo que demanda el cultivo de la alfalfa es de 7.260 m3/Ha y año. Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 20 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA 5.2.6.- NECESIDADES BRUTAS TOTALES DE LA ALTERNATIVA Para el cálculo de las necesidades brutas de agua de riego totales de la alternativa de cultivos estudiada, se tendrá en cuenta la superficie total destinada a cada uno de los tipos de cultivo que la componen y la demanda hídrica estimada para cada uno de ellos. Teniendo en cuenta que el 45 % de la superficie se emplea en la plantación del maíz y el 55 % restante en el cultivo de alfalfa: SUPERFICIE (ha) m3/ha y año m3/año MAIZ 469 6.580 3.086.020 ALFALFA 573 7.260 4.159.980 TOTAL 1043 7.253.022 5.3.- CONCLUSIÓN DE LAS NECESIDADES A partir de todos los datos recopilados en este estudio agronómico determinamos: - La dotación para el mes más desfavorable (Julio) es de 0,8 l/s y Ha. Necesidades (mm/mes)= 55 % de 198 + 45 % de 236 = 210,2 mm/mes = 2102 m3/mes Caudal Ficticio Continuo (l/s * Ha) = Hasl */8,0 3600*30*24 1000 *2102 - Suponiendo que son 1043 hectáreas regables, el caudal ficticio continuo es de 834,4 l/s en el mes más desfavorable. Caudal Fictício Continuo (l/s) = 0,8*1043 = 834,4 l/s - El volumen de agua propuesto por hectárea, para satisfacer las necesidades de los cultivos es de 6.954 m3/año y Ha. Volumen (m3/año) = Necesidades (m3/mes) = 6.954 m3 - El volumen total anual propuesto para el riego de la superficie determinada es de 7.253.022 m3. Volumen total de riego al año = Necesidades (m3/mes)* 1043 = 7.253.022 m3 Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 21 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA 6.- PARÁMETROS DEL RIEGO Y DOTACIONES 6.1.- INTRODUCCIÓN Se establecerá un sistema de riego a la demanda con reducción de caudales utilizando el modelo de R. Clement. La red de distribución que se prevé servirá para que el usuario pueda organizar el riego en parcela libremente, dentro de unas limitaciones, garantizando una alta calidad de funcionamiento a nivel de toma. Se adoptará el criterio de unir varias parcelas de un mismo propietario y de distintos propietarios con el fin de regar desde un mismo hidrante. Se considera como caudal mínimo por toma de 18 l/s, caudal suficiente para el riego de módulos de una hectárea. Se establecerá rangos de superficies que regarán con el mismo caudal escanoladas de 3 en 3 hectáreas. 6.2.- CAUDAL FICTICIO CONTINUO Las necesidades de agua de riego han sido estimadas en el punto anterior. De acuerdo con los resultados obtenidos en el mismo para la alternativa de cultivos prevista en la modernización y el ambiente climático de la zona, las necesidades máximas de riego en el mes de de máxima demanda es del orden de 70 m3/Ha y día. Este valor de máxima demanda hídrica en el mes de máximas necesidades, correspondiente al mes de julio, equivale a 0,8 l/sg y Ha, por lo que se establecerá un valor máximo de caudal ficticio contiguo (qfc) de 0,8. 6.3.- GARANTÍA DE SUMINISTRO La garantía de suministro que aplicaremos será de: Nº Hidrantes Garantía de Suministro 1-5 100 % 6-20 99 % 21-50 95 % > 50 90 % Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 22 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA 6.4.-FRECUENCIA DE RIEGO Para el mes de máximas necesidades se adopta una frecuencia de riego de 3 días. Durante el resto de la campaña el intervalo entre riegos de adoptará a las necesidades hídricas. 6.5.-DURACIÓN DE LA JORNADA DIARIA DE RIEGO Puesto que la existencia de la Balsa de regulación que permite disponer de agua de riego regulada durante todo el día, la disponibilidad de agua de riego será de 24 horas al día, para la red de presión natural. Para la red de bombeo, se considera una jornada de riego que será ajustada según la tarificación eléctrica. Qfc : 0,8 l/s x ha. η = 82 % ( para riego 20 h / 24h ) en bombeo. η = 100 % a presión natural. 6.6.- DURACIÓN DEL RIEGO EN PARCELA. CAUDAL INSTALACIÓN Para la estimación de la duración del riego por aspersión tomaremos como necesidades hídricas las del cultivo en el que se prevé la implantación de este sistema de riego y que cuenta una mayor demanda diaria. Se consideran las siguientes premisas para el cálculo del caudal instantáneo para el riego por aspersión. - Caudal del aspersor: 1800/h = 0,50 l/s. - Nº de aspersores por Ha = 34. - Volumen aportado 61,2 m3/Ha y hora ó 17 l/s. Tal y como se comentó anteriormente, el cultivo en el que se implantaría este sistema de riego por aspersión y que contaría con unas mayores necesidades de agua de riego sería el maíz con 2360 m3/Ha en el mes de Julio, es decir 76,7 m3/Ha y día. Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 23 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA 6.7.-CAUDAL DE DISEÑO Los caudales de diseño de los distintos tramos de las redes se han calculado de acuerdo con la fórmula de Clement para redes de riego a la demanda cuya fórmula es la siguiente: ) d * q * p * R (*) P +U( d * p * R =Q 2 i ii iq i i i donde: - Ri = Nº de tomas con una probabilidad de funcionamiento pi. - pi = Probabilidad de funcionamiento de una toma. - di = Caudal de la toma en l/s. - U (Pq) = Función de la calidad de funcionamiento de la red. Se consideran las calidades de funcionamiento del apartado 3. Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 24 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA 7.- BALSAS DE REGULACIÓN 7.1.- INTRODUCCIÓN La necesidad de almacenar agua en el momento que se encuentra disponible para poderla usar a medida que ésta sea demandada, hace imprescindible la construcción de depósitos donde retenerla. En el ámbito rural, las infraestructuras destinadas a este fin deben presentar un coste reducido, acudiéndose en la mayoría de las ocasiones a la construcción de balsas de materiales sueltos. Aunque el fin último de una balsa es almacenar agua, los usos que en agricultura se le pueden dar son diversos: depósito de regulación para riego de cultivos, abrevadero para el ganado, suministro de agua a una agroindustria, o almacenar productos de deshecho, como por ejemplo el alpechín generado en las almazaras. En este apartado se describen y calculan todos los elementos que componen las balsas de regulación. La necesidad de dos balsas de regulación se plantea como solución más adecuada para ganar cota en la red de presión natural. La balsa pequeña, de cota más alta abastecerá a la red de presión natural y la balsa grande dará servicio a la red de bombeo, existiendo una conexión inferior entre ambas balsas en la estación de bombeo. Además justificaremos su ubicación y volumen de regulación. 7.2.- NECESIDADES DE REGULACIÓN El agua se toma de un canal próximo mediante una toma de nueva construcción. Se plantea una capacidad de regulación de unos tres días de agua en el periodo de máximo consumo, que permitirá adecuar perfectamente las peticiones de agua a las demandas de la red de riego. Considerando el máximo consumo correspondiente al caudal ficticio continuo calculado, las necesidades de agua diarias en la época de mayor consumo para toda la red serán: 1.043 ha x 0,8 l/s y ha x 86.400 s/día x 1 m3/1.000 l x 3 días = 216.276,48 m3 totales Éste sería el volumen teórico necesario de regulación para almacenar agua para unos tres días de funcionamiento del sistema en época de máximo consumo. No obstante el volumen del vaso de la balsa es un poco mayor para conseguir que la excavación de tierras se compense con el desmonte casi en su totalidad. 7.3.- LOCALIZACIÓN Y TOPOGRAFÍA La partida movimiento de tierras en un proyecto de esta naturaleza que suele representar un gran porcentaje del coste total, por lo que es muy importante hacer un diseño óptimo para que este coste se minimice. Esto requiere llevar a cabo una serie de hipótesis con diferentes ubicaciones y geometrías de las balsas, y por tanto repetir los Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 25 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA cálculos que esto conlleva, con lo que esta operación se hace complicada, haciendo difícil llegar a la solución económicamente óptima. El problema que se plantea en el diseño de obras que impliquen movimiento de tierras es lo laborioso que resulta el cálculo del volumen del material a desplazar. La metodología general usada para el cálculo de la tierra a mover consta de las siguientes fases: 1.- En primer lugar hay que recopilar todos los datos que describan la morfología del terreno donde se va a asentar (cartografía a una escala adecuada), de la propia balsa (geometría del perímetro y pendiente de las paredes internas), y definir las pendientes de los taludes de desmonte y terraplén que se originarán. 2.- Después de decidir la ubicación de la balsa, habrá que representar la morfología que presentará la zona una vez construida 3.- Por último, se calcularán los volúmenes de tierra a mover en las zonas de desmonte y terraplén. Esto se realiza acudiendo a una serie de perfiles de la obra, paralelos entre sí. En función de la superficie de desmonte y terraplén que cada pareja de perfiles consecutivos presente, y la distancia existente entre ellos, se podrá estimar el volumen de tierra a mover. 4.- Si la relación entre el volumen de desmonte y terraplén no es la óptima, habrá que reubicar la balsa y empezar el proceso. 7.4.- CÁLCULO DE LA ESTABILIDAD DE LOS TALUDES El modelo de comportamiento de los taludes de estas obras hidráulicas, en cuanto a equilibrio límite se refiere, está basado en el estudio del equilibrio de la masa del propio talud suponiéndose inestable. Para ello se necesitan establecer, como mínimo, los siguientes supuestos: - Se define la superficie supuestamente inestable. - Se definen las fuerzas exteriores actuantes. - Se calcula las presiones del agua actuante en la supuesta superficie de rotura. - Se hace un estudio de las condiciones hidrogeológicas. Con estas condiciones, se establece el equilibrio límite entre las fuerzas que inducen al deslizamiento y las resistentes, determinándose de esta forma la fuerza resultante por resistencia a esfuerzo cortante “T” que debe movilizarse a lo largo de la superficie potencialmente inestable en el momento en que se inicia el movimiento. Por ello, el coeficiente de seguridad de la supuesta superficie de rotura lo podemos definir como la relación entre la fuerza resultante de la máxima resistencia a cizalladura “R” disponible realmente a lo largo de dicha superficie y la que es necesario movilizar para el equilibrio estricto: Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 32 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Cambios bruscos de perfil longitudinal que no sean puntos altos: ligeramente aguas debajo de cambio de pendiente. o Reducción de pendientes en tramos ascendentes. o Incremento de pendiente en tramos descendentes o Variación de pendiente en tramos uniformes. Cambios bruscos por reducción de secciones: Ligeramente aguas abajo del cambio de sección. Limitado a tramos con pendientes uniformes a menos de 1 Km. Junto a válvulas de seccionamiento. Junto a válvulas reductoras de presión Puntos donde la tubería salga por encima del terreno. 8.5.2.-DIMENSIONADO DE LAS VENTOSAS Las ventosas que se pretende colocar son ventosas trifuncionales que tienen como función proteger las tuberías en operaciones críticas. Las situaciones más desfavorables de funcionamiento que se pueden producir son durante las operaciones de llenados de las tuberías, donde es necesario poder evacuar el aire de las tuberías, a medida que el fluido va llenando la tubería, sin atrapar bolsas de aire. Durante las operaciones de vaciado, ya sea de forma intencionada o bien cuando sea por accidente en caso de rotura, se debe permitir la entrada de aire en la conducción, para evitar la situación de depresión interna. El parámetro que define la ventosa a instalar es el diámetro de su orificio principal. Éste se elige en función de la cantidad de aire que debe entrar por él, ya que se considera que este criterio es más restrictivo que el del llenado de la tubería. Para determinar el diámetro de la ventosa es necesario precisar por un lado la pendiente más severa adyacente al punto donde se sitúa la ventosa, y por otro lado el caudal máximo a circular tanto en operaciones de llenado como de vaciado. El aspecto a tener en cuenta para dimensionar en situaciones de llenado es que la cantidad de aire a evacuar es igual al caudal que circula en la conducción. En operaciones de vaciado o rotura accidental, el caudal de aire a introducir es equivalente al caudal de vaciado o el caudal generado por gravedad en un descenso. La cantidad de aire a introducir en una línea descendente se determina por la expresión: 5 3 4,25 133576,0]min[ D SmQ donde: - Q = Caudal de aire a evacuar en m3 por minuto. - S = Pendiente en cm/cm. - D = Diámetro de la tubería en mm. Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 33 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA 8.6.-DESAGÜES Se proyecta la instalación de válvulas de vaciado (desagüe) al final de todas las ramificaciones en los puntos más bajos de la tubería. Esto permite el aprovechamiento de los recursos hídricos, ya que finalmente el agua sobrante terminará en el canal del cual previamente se obtuvo. Además resultará muy útil a la hora de futuras reparaciones. 8.7.-BY-PASSES El by-pass es una técnica de resguardo, que para que la conducción del sistema no se interrumpa, se facilita un conducto alternativo por el que, para el caso del regadío, fluya el agua. Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 34 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Su colocación se llevará a cabo en aquellas válvulas en las que, por seguridad, no sea admisible un fallo en esa válvula. 8.8.-SECCIONAMIENTO DE LA RED Se realizará seccionamiento en la red de riego con el propósito de facilitar el posterior manejo de la red, y evitar que averías puntuales condicionen el manejo de toda la red de riego. Se establece el siguiente criterio para realizar los seccionamiento en la red de riego: - Todas las tuberías que sean ramificaciones de la tubería principal que sale directa de la estación de bombeo. - Resto de tuberías que consten de 10 hidrantes o más aguas abajo. Para el seccionamiento de las tuberías de mayor diámetro se utilizaran válvulas de mariposa con bridas y para diámetros menores válvulas de compuerta con bridas. Válvulas Mariposa Válvulas Compuerta Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 35 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA 8.9.- ELEMENTOS DE LA TOMA DE RIEGO Cada agrupación de parcelas, dispondrá de un hidrante de riego de 4”, 6” ó 8”. El diámetro del hidrante se instalará en función de la superficie a regar. Los elementos que forman la toma de riego son: Calderería de unión a la tubería. Cuello de cisne a 90º en calderería de acero Ventosa/purgador de 1” a la entrada del hidrante, en el cuello de cisne. Válvula de compuerta Filtro de mallas con malla de 2 mm. Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 36 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA 9.- ESTACIÓN DE BOMBEO, EQUIPOS HIDRÁULICOS, FILTRADOS Y PROTECCIONES 9.1.- INTRODUCCIÓN Las estaciones de bombeo son estructuras destinadas a elevar un fluido, en nuestro caso agua, desde un nivel energético inicial a un nivel energético mayor. Su uso está muy extendido en varios campos de la ingeniería pero nos centraremos en los sistemas de regadío. Generalmente las estaciones de bombeo constan de las siguientes partes: Elementos de filtrado (filtros, rejas…) Línea de succión. Las bombas propiamente dichas. Línea de impulsión. Servicios auxiliares: o Dispositivos de protección contra el golpe de ariete. o Línea de alimentación de energía eléctrica o instalación para almacenamiento de combustible. o Sistema de monitoreo y telecomunicaciones. En el presente proyecto es necesaria una estación de bombeo para abastecer a la zona de riego que por insuficiencia de cota no se puede regar mediante presión natural. En total, proponemos una superficie de riego mediante bombeo de 700 hectáreas. Se plantea que la instalación funcione unas 138 horas a la semana sobre las 168 posibles; es decir, que funcione 18 horas al día los días laborables y 24 al día los fines de semana, de tal forma que el mayor tiempo se bombee en horas valle del precio del kilovatio. Todo esto calculado para el periodo de máximo consumo, es decir, con un caudal ficticio continuo de 0,8 l/s x ha. 9.2.- DIMENSIONADO GEOMÉTRICO. DESCRIPCIÓN DE LOS ELEMENTOS Se plantean los elementos que a continuación se detallan y se encuentran dibujados en el plano “Estación de Bombeo”. Desde la balsa grande se proyecta un tubería de salida hasta la estación de bombeo en acero helicosoldado de diámetro 1000 mm. En la entrada de la estación de bombeo colocaremos una válvula de mariposa con bridas motorizadas que seccionará la salida de agua de la balsa grande. Ya en la estación de bombeo existirá una conexión de esta tubería con la tubería de presión natural en acero helicosoldado diámetro 600 que permitirá el riego de la red Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 37 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA de presión natural desde la balsa grande y viceversa. Esta tubería de conexión está seccionada por una válvula de mariposa y cuenta con una válvula de retención que permitirá el riego desde la balsa grande a la tubería de presión natural cuando en la balsa pequeña no haya agua, o no se suministre agua desde el canal que se tome. La tubería de presión natural se traza desde la cámara de carga de la arqueta de toma-alivio hasta la estación de bombeo, donde se conexiona como se ha explicado, con la tubería de la salida de la balsa grande. Aguas abajo de esta conexión hay un filtro en carga de diámetro 700. La tubería de presión natural se secciona mediante una válvula de mariposa motorizada de 600 mm aguas abajo del filtro. Diez diámetros aguas abajo colocaremos un caudalímetro ultrasónico que medirá el caudal de la red de presión natural. Sobre esta tubería se incluye una ventosa trifuncional para permitir la entrada de aire en el caso de cierre de la válvula motorizada. Aguas abajo de la conexión con la tubería de presión natural, en al tubería de salida del embalse grande, se instala un filtro en carga de diámetro 1000, un carrete de desmontaje diámetro 1000 y un cono de reducción 1000-800 que se une al colector general de aspiración de las bombas dimensionado en acero helicosoldado diámetro 800 mm. De este colector salen los equipos de bombeo, colocados a 45 grados respecto del colector de aspiración, y separadas entre si por dos metros de distancia. El colector de impulsión se diseña en un diámetro único de 800 mm, en acero helicosoldado de espesor 7,4 mm, para una velocidad de circulación del agua aproximada de 1,8 m/s. Sobre el colector de impulsión se colocarán 4 ventosas de diámetro 80 que permitirán la entrada de aire en caso de depresión en la tubería. Aguas abajo de este colector se coloca un caudalímetro ultrasónico que medirá el caudal de la red de bombeo. 9.3.- CURVA DE DEMANDA DE LA INSTALACIÓN Como punto de partida para la correcta elección de las bombas que suministran agua a la instalación se estudia el comportamiento hidráulico de la red de bombeo en sus distintos puntos de funcionamiento. Para el cálculo de las alturas manométricas de impulsión se considerará siempre que la cota en la cabecera es la altitud máxima para la cual el embalse se encuentra totalmente lleno. Para esta situación, el caudal máximo a considerar para el diseño de los equipos de bombeo es el obtenido en la cabecera de la red mediante la segunda fórmula de Clement que es de 877 l/s. Por lo tanto, el rango de caudales de funcionamiento de la instalación estará comprendido entre 0 y 877 l/s aproximadamente. Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 38 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA La altura manométrica necesaria varía en función del caudal demandado por la instalación, siendo la altura máxima requerida para el caudal de funcionamiento máximo de 40 m.c.a. 9.4.- FRACCIONAMIENTO DEL BOMBEO. EQUIPOS DE BOMBEO Como hemos dicho, el caudal punta de bombeo aproximado en cabecera será igual al caudal de Clement (877 l/s). Éste es el caudal máximo a suministrar, debiéndose garantizar el rango completo desde un caudal casi nulo al máximo. Además, se debe asegurar que el suministro se realice siempre bajo unos rendimientos de los equipos adecuados. Por ello, se estima conveniente realizar un fraccionamiento del caudal de bombeo de manera que se dispondrán 4 bombas iguales, cuyo caudal unitario es de 200 l/s. Además, se dispone de una quinta bomba, que en principio es de reserva, pero que puede funcionar simultáneamente con las anteriores. Al incorporar una bomba más, se puede llegar a disponer de una caudal de 1000 l/s. Contaremos además con una bomba de bajo caudal, de manera que en la época que no se riega o de bajos consumos, se puedan atender demandas menores en la red. Suministrara un caudal de 90 l/s y se parará cuando se inicie el funcionamiento de las bombas mayores. Se considera dotar a dos bombas de variador de velocidad, que serán capaces de suministrar todo el rango de caudales a un rendimiento adecuado. Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 39 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA 9.4.1.-BOMBAS Las bombas que se proyectan son bombas centrífugas horizontales de doble aspiración con motor eléctrico en posición vertical de 110 KW con una velocidad nominal de 1480 r.p.m. (400/III/50 Hz IP 55) 9.4.2.-POTENCIA UNITARIA. CURVA DE LA BOMBA Dadas las necesidades anteriormente comentadas, la potencia necesaria en el eje de las bombas grandes deberá ser: EB HQ Pe donde: Peso especifico del líquido: = 9800 N/m3 Caudal de bombeo unitario: QB = 200 l/s Altura manométrica de la impulsión: HE = 40 m.c.a. Rendimiento de la electrobomba: η = 85 % De igual modo calculamos para la bomba de bajo caudal donde: Peso especifico del líquido: = 9800 N/m3 Caudal de bombeo unitario: QB = 90 l/s Altura manométrica de la impulsión: HE = 40 m.c.a. Rendimiento de la electrobomba: η = 85 % El cálculo de las potencias en los ejes da como resultado 91 Kw para las bombas grandes y de 41,5 Kw aproximadamente para la bomba pequeña. La selección final es de 110 KW y de 45 Kw respectivamente. 9.4.3.-CURVA CARACTERÍSTICA DE LOS GRUPOS DE BOMBEO La curva característica de los grupos representa la altura de la carga (H) en m.c.a. que es capaz de suministrar el sistema los grupos motor-bomba para que circule un caudal (Q) por la red de tuberías. Para el caso que nos ocupa de una configuración de estación de bombeo con grupos en paralelo, esta curva se obtiene como la suma de cada una de las curvas caudal-presión que proporciona cada uno de los grupos que configuran la estación. Gráficamente se suman los caudales correspondientes a cada altura. Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 40 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Los requerimientos de funcionamiento que se le exige a la estación de bombeo requieren la instalación de variadores de velocidad (frecuencia) para poder accionar las bombas a diferentes velocidades de forma que la combinación de caudal-presión que suministren sea lo más versátil posible para atender a diferentes caudales de bombeo. Se incorporan pues dos variadores de velocidad por modificación de frecuencia, con los que se considera razonable el intervalo de caudales regulado con un rendimiento aceptable. Por tanto, la curva característica de la estación en conjunto será la suma de las bombas que en cada momento estén en funcionamiento y que pueden encontrarse en una de las dos situaciones siguientes: Funcionando a velocidad de régimen nominal (n0), que para los motores elegidos de 4 polos está establecida en 1480 r.p.m, en cuyo caso la curva característica será la suministrada por el fabricante, situación a la que denominaremos como Bombas de Velocidad Fija (BF). Funcionando a velocidad inferior a la de régimen nominal (n), en cuyo caso la curva característica podrá obtenerse por semejanza de bombas , según las ecuaciones siguientes: 00 n n Q Q ; 2 00 n n H H ; 3 00 n n P P A esta situación la denominaremos funcionamiento como Bombas de Velocidad Variable (BV) Para obtener la velocidad mínima a la que se puede poner a funcionar la bomba es necesario que el caudal que resulte aportado por la misma sea superior al caudal mínimo continuo que garantiza el fabricante y, por otro lado, que la curva que representa la bomba corte la curva resistente del sistema pues de lo contrario no aportaría caudal al sistema. De esta forma cada una de las bombas que dispondrán de variación de velocidad podrán suministrar un caudal variable de forma continua entre el suministrado a velocidad mínima hasta el suministrado a la velocidad de régimen nominal de 1480 r.p.m. En el gráfico que se adjunta a continuación se representan la curva característica de la bomba pequeña para todo el rango de frecuencias para las cuales el rendimiento es aceptable. Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 41 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA A continuación se indica la tabla de caudales y velocidades a 35 m.c.a (3.5 bar). Velocidad (Hz) 42 43 44 45.3 45.8 46.7 47.5 Caudal Teórico(m3/h) 150 200 235 250 275 300 320 Las frecuencias límite de trabajo de la bomba pequeña a 3.5 bar es de 42 Hz por debajo y 47,5 por arriba. Fuera de esos rangos nos salimos de las curvas del fabricante. De igual modo se adjunta la curva característica de las Bombas de 110 Kw Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 48 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA P eléctrica total = 37,64 Kw + 2*109,75= 257,15 Kw P consumida = 257,15 Kw *10 horas= 2571,5 Kw/jornada. Por tanto es obvio que la solución más eficiente y económica es el sistema escalonado. Sabiendo que la tarificación eléctrica es de 11,54 céntimos de euro por Kilovatio y suponiendo una media de 10 horas a la jornada durante los 7 días de la semana, de las 4 semanas del mes y los 7 meses de temporada obtenemos: OPCIÓN ADOPTADA POTENCIA CONSUMIDA COSTE ENERGÉTICO DIARIO COSTE ENERGÉTICO TEMPORADA Reparto Igualitario 3078 Kw 338,58 € 66.361,68 € Bombas Trabajando a Caudal Máximo 2839,7 Kw 312,37 € 61.223,93 € Sistema de Escalones 2571,5Kw 282,86 € 55.440,56 € Resulta obvio que el costo de la instalación es un aspecto a tener en cuenta. Debemos indicar que, puesto que anteriormente se regaba solo con apertura de tajadera (regadío a manta) pudiéndose regar 300 hectáreas, mediante el sistema de bombeo la superficie total abastecida es de 1043 hectáreas produciendo un incremento de toneladas de producto y por tanto un importante incremento de ingresos. Si tenemos en cuenta los siguientes datos: PRODUCTO RENDIMIENTO DE LA TIERRA SUPERFICIE DE RIEGO A MANTA PRECIO INGRESOS GENERADOS MAIZ 12 Tm/Hectárea 135 Hectáreas 0,15 € / Kg 243.000 € ALFALFA 15 Tm/Hectárea 165 Hectáreas 0,14 € / Kg 346.500 € TOTAL 589.500 € PRODUCTO RENDIMIENTO DE LA TIERRA SUPERFICIE DE RIEGO A BOMBEO PRECIO INGRESOS GENERADOS MAIZ 12 Tm/Hectárea 469 Hectáreas 0,15 € / Kg 844.200 € ALFALFA 15 Tm/Hectárea 573 Hectáreas 0,14 € / Kg 1.203.300 € TOTAL 2.047.500 € Como podemos observar el echo de utilizar un sistema de bombeo, nos hace afrontar una serie de gastos, pero en cambio, el área de regadío se ve incrementada 3,5 veces su superficie y por tanto los ingresos en la misma proporción. Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 49 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA 9.7.- PROTECCIÓN CONTRA EL GOLPE DE ARIETE El golpe de ariete o pulso de Joukowski es el término utilizado para denominar el choque producido en una conducción por una súbita disminución en la velocidad del fluido. El cierre en una válvula en la tubería provoca el corte en la circulación del fluido (reducción de la velocidad de circulación a cero) generándose una onda de presión que aumentará la tensión de trabajo esperada en las paredes de la tubería, pudiendo llegar en casos extremos a su rotura. El golpe de ariete se origina debido a que el fluido es ligeramente elástico en estado líquido. En consecuencia, cuando se cierra bruscamente una válvula instalada en el extremo de una tubería de cierta longitud, las partículas de fluido que se han detenido son empujadas por las que vienen inmediatamente detrás y que siguen aún en movimiento. Esto origina una sobrepresión que se desplaza por la tubería a una velocidad algo menor que la velocidad del sonido en el fluido. Esta sobrepresión tiene dos efectos: comprime ligeramente el fluido, reduciendo su volumen, y dilata ligeramente la tubería. Cuando todo el fluido que circulaba en la tubería se ha detenido, cesa el impulso que la comprimía y, por tanto, ésta tiende a expandirse. Por otro lado, la tubería que se había ensanchado ligeramente tiende a retomar su dimensión normal. Conjuntamente, estos efectos provocan otra onda de presión en el sentido contrario. El fluido se desplaza en dirección contraria pero, al estar la válvula cerrada, se produce una depresión con respecto a la presión normal de la tubería. Al reducirse la presión, el fluido puede pasar a estado gaseoso formando una burbuja mientras que la tubería se contrae. Al alcanzar el otro extremo de la tubería, si la onda no se ve disipada, por ejemplo, en un depósito a presión atmosférica, se reflejará siendo mitigada progresivamente por la propia resistencia a la compresión del fluido y a la dilatación de la tubería. Siempre que el tiempo de cierre de la válvula sea inferior al tiempo de prolongación de ondas de choque (desde la válvula hasta la embocadura de la tubería y vuelta de nuevo hasta la válvula) se manifestará este fenómeno. El pulso de Joukowski expresado por unidad de peso de fluido, se calcula como: g V C0 donde: - C = Es la velocidad de la onda (velocidad relativa respecto al fluido) de sobrepresión o depresión. - Vo = Es la velocidad media del fluido, en régimen. - g = 9.81m / s2 es la aceleración de la gravedad. Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 50 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Para tuberías deformables como es nuestro caso (tubo de acero) la expresión matemática que proponemos es la siguiente: )/)(/(1[ edEE E c B B donde: - c = velocidad de la onda de presión (m/s) - EB = módulo de elasticidad volumétrico del fluido (Pa) - E = módulo de Young del material de la tubería (Pa) - ρ = densidad del fluido (kg/m3) - d = diámetro exterior de la tubería (mm) - e = espesor de la pared de la tubería (mm) 9.7.1.- CONSECUENCIAS Este fenómeno es muy peligroso, ya que la sobrepresión generada puede llegar a entre 60 y 100 veces la presión normal de la tubería, ocasionando roturas en los accesorios instalados en los extremos (grifos, válvulas, etc). La fuerza del golpe de ariete es directamente proporcional a la longitud del conducto, ya que las ondas de sobrepresión se cargarán de más energía, e inversamente proporcional al tiempo durante el cual se cierra la llave: cuanto menos dura el cierre, más fuerte será el golpe. El golpe de ariete estropea el sistema de abastecimiento de fluido, a veces hace reventar tuberías de hierro colado, ensancha las de plomo, arranca codos instalados, etc, En la imagen podemos ver los efectos de dicho fenómeno: Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 51 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA 9.7.2.- PROTECCIONES Para evitar este efecto, existen diversos sistemas: Para evitar los golpes de ariete causados por el cierre de válvulas, hay que estrangular gradualmente la corriente de fluido, es decir, cortándola con lentitud utilizando para ello, por ejemplo, válvulas de asiento. Cuanto más larga es la tubería, tanto más deberá durar el cierre. Sin embargo, cuando la interrupción del flujo se debe a causas incontrolables como, por ejemplo, la parada brusca de una bomba eléctrica, se utilizan tanques neumáticos con cámara de aire comprimido, torres piezométricas o válvulas de muelle que puedan absorber la onda de presión, mediante un dispositivo elástico. Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 52 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Otro método que ya hemos considerado en otro apartado es la colocación de ventosas de aireación, preferiblemente trifuncionales. La primera función será introducir aire cuando en la tubería se extraiga el fluido, evitando así que se generen vacíos La segunda función será la extracción de grandes bolsas de aire que se generen, para evitar que una columna de aire empujada por el fluido acabe reventando codos o, como es más habitual, las crestas de las redes donde acostumbran a acumularse las bolsas de aire. La tercera función es la extracción de pequeñas bolsas de aire, debido a que el sistema de las mismas ventosas por lado tiene un sistema que permite la extracción de grandes cantidades y otra vía para las pequeñas bolsas que se puedan alojar en la misma ventosa. 9.8.- SISTEMA DE FILTRADO 9.8.1.- INTRODUCCIÓN Para el filtrado del agua y con el fin de evitar que pudieran llegar piedras u otro tipo de residuos que pudieran dañar la instalación o los motores, utilizaremos filtros de malla eléctricos autolimpiables. Se considera como una buena definición de filtración: el proceso de eliminar partículas sólidas de un líquido o de un gas, mediante su paso a través de un medio poroso. En nuestro caso el líquido generalmente será agua, y el medio filtrante será una malla metálica de acero inoxidable. Por otro lado, el filtro ideal es aquel que es capaz de retener el mayor número de partículas y que nunca llega a saturarse; aunque en realidad será aquél que sea capaz de evitar la dicha saturación mediante su auto limpieza cada vez que lo necesite. 9.8.2.- DESCRIPCIÓN El filtro consta de una carcasa exterior en la cual se alojan tres cámaras diferenciadas. Una primera cámara de desbaste que coincide con la boca de entrada del agua al filtro; y en la que se sitúa una malla gruesa que se utiliza como prefiltro. Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 53 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA La circulación del agua se produce desde fuera hacia el interior del filtro. Una vez en el interior del filtro, el agua entra en la 2ª cámara, que llamaremos de filtrado. Es en esta cámara donde se aloja el elemento filtrante: MALLA DE FILTRACIÓN. En este caso el agua circula desde el interior del cuerpo del filtro hacia fuera, quedando los sólidos en suspensión (suciedad) retenida en el elemento filtrante, es decir en la malla. Esta cámara coincide con la boca de salida del agua filtrada hacia la aplicación deseada: agua potable, agua de proceso, agua de refrigeración, etc. La suciedad retenida va formando una superficie sobre la malla, que generará una pérdida de carga determinada. La limpieza del filtro se apoya en una tercera cámara, la cámara de LIMPIEZA, cuya salida está conectada a la VÁLVULA DE DRENAJE que permite la evacuación del agua de lavado cuando se genera el proceso de AUTOLIMPIEZA. Por último como elemento vital de esta tecnología encontramos el ESCÁNER DE SUCCIÓN. Este escáner ocupa la posición exacta que ocuparía el eje central de un cilindro, y se encuentra conectado hidráulicamente a la cámara de limpieza. A su vez, y en la zona que el mismo ocupa en la cámara de filtración se disponen perpendicularmente las BOQUILLAS DE SUCCIÓN, llegando con las cerdas de Nylon a pocas micras de la malla. La situación de estas boquillas en el escáner de succión está estudiada para entrar en contacto con toda la superficie interior de la malla, gracias al movimiento en espiral que el motor eléctrico le proporciona al escáner: al combinar un desplazamiento longitudinal y de rotación. Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 54 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA 9.8.3.- FUNCIONAMIENTO El agua entra en el filtro a través de la cámara de desbaste, produciéndose en ella la retención de cualquier partícula gruesa, a modo de “cazapiedras”. A continuación, ya en el interior del filtro, el agua atraviesa la MALLA FINA desde dentro hacia fuera, produciéndose el fenómeno de FILTRACIÓN MECÁNICA EN SUPERFICIE. Se obtiene entonces el agua de alta calidad, según el grado de filtración elegido para la malla de filtración Como ya se ha comentado anteriormente, la suciedad queda retenida y acumulada en la superficie interior de la malla fina provocando una paulatina pérdida de carga entre la entrada y la salida del filtro. Un presostato diferencial situará la secuencia de lavado cuando se alcance un incremento de presión igual a 0,3 bar. (3 m.c.a). Existen otras posibilidades para efectuar el lavado del filtro que son: lavados por tiempo, combinación de tiempo y presión, y la opción de lavado continuo. Cuando el presostato diferencial indica 0,3 bar, la válvula de drenaje recibe la orden de abrir; generando una diferencia de presión entre el exterior (presión atmosférica) y el interior del filtro (presión de trabajo) por lo que se produce una corriente de agua a gran velocidad, que atraviesa la malla y se conduce al exterior a través del orificio interior de las boquillas. Además en ese preciso instante también se envía la orden al motor de entrar en funcionamiento. El resultado de estas acciones conjuntas son: el efecto de succión por parte de las boquillas sobre la suciedad de la malla, y el movimiento en espiral del scanner de succión en el interior del filtro. Durante el proceso de auto limpieza, que dura 25 segundos, el agua continúa siendo filtrada y fluyendo hacia el sistema o aplicación. Este hecho provocado por el diseño de estos filtros, nos permite que el consumo de agua para el lavado sea MÍNIMO y que el régimen de trabajo sea CONTINUO. Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 55 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA 10.- ESTUDIO DE BAJA TENSIÓN 10.1.- OBJETO DEL ESTUDIO El objeto del presente estudio es la descripción y justificación técnica de las instalaciones eléctricas en Baja Tensión para el suministro, montaje, y pruebas y puesta en marca de la instalación eléctrica de fuerza, alumbrado y servicios, mando y control y toma de tierra correspondiente de la Estación de Bombeo. 10.2.- GENERALIDADES La instalación eléctrica de Baja Tensión proyectada tendrá como principal finalidad la alimentación, según las condiciones recogidas en el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión, de los distintos consumidores eléctricos situados en la estación de Bombeo y en sus inmediaciones. El origen de la instalación eléctrica de Baja Tensión se encontrará en las bornas de baja tensión del transformador. Dicho transformador se alojará en un edificio prefabricado situado al lado del edificio de la Estación de Bombeo y servirá para la alimentación, en exclusiva, de los consumidores eléctricos dependientes de la Estación de Bombeo. De dicho punto partirá la acometida general por una canalización subterránea hasta el Cuadro General de distribución en Baja Tensión, situado en el interior del edificio donde se aloja toda la instalación de bombeo. Dicha acometida será lo más corta posible para minimizar las pedidas. Estas dependerán de la distancia del punto de ubicación del edificio prefabricado, que alojará la mayor parte de elementos de maniobra y protección de la instalación eléctrica de media tensión. El Cuadro General de Distribución de Baja Tensión será el punto de donde partirán todas las líneas a consumidores eléctricos de la Estación de Bombeo y del exterior que dependa de la misma. El Cuadro de Baja Tensión se construirá en armario metálico de dimensiones apropiadas para alojar toda la paramenta de protección y de manera que garantice un grado de protección IP 55 según normas EN-60529 y UNE 20234. Desde el Cuadro General de Baja Tensión partirán las canalizaciones que inicialmente serán del tipo de bandeja metálica de acero inoxidable con tapa de protección. La bandeja estará ranurada en su fondo en toda su longitud. Dichas ranuras deberán estar realizadas de forma que no puedan dañar el aislamiento de los conductores una vez que sean tendidos en el interior de las mismas. Los soportes de dichas canalizaciones podrán ser de acero inoxidable o acero galvanizado en caliente por inversión de forma que queden protegidos contra la oxidación. El tipo de conductor a utilizar será el siguiente: Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 56 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Conductor de cobre aislado con PVC y cubierta exterior de polietileno reticulado, del tipo RV-K 0,6/1 Kv, con una tensión de filamento de 1000 voltios para la acometida de BT. Conductor de cobre aislado con PVC, apantallado y cubierta exterior de polietileno reticulado, del tipo VOV-K 0,6/Kv, con una tensión de aislamiento de 1000 voltios para el resto de salidas. Dichos conductores conectaran las protecciones magnetotérmicas alojadas en el CGBT con los distintos consumidores finales de la instalación. La Tensión de suministro de baja tensión será trifásica a 400 voltios entre fases, en corriente alterna (50 hercios), y de 230 voltios entre fase y neutro. Dichos valores de tensión deberán de ser garantizados con la instalación en carga. La instalación eléctrica estará únida a tierra por medio de un sistema de distribución Toma de Tierra (TT), según Instrucción Técnica MIE BT 008 del Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión. Se conectará el neutro del transformador a una toma de tierra independiente y las masas metálicas de la instalación se conectarán a otra toma de tierra separada. Se deberá garantizar un valor de la resistencia de puesta a tierra, en todos los casos, inferior a 10 ohms. Las tomas de tierra se realizaran con electrodos tipo pica de acero cobreado de dos metros de longitud y diecinueve milímetros de diámetro, según norma de recomendación UNESA. El conductor que unirá dichos electrodos será un conductor desnudo de cobre de 50 mm2 de sección formando dichos elementos de toma de tierra propiamente dicha, según instrucción técnica MIE-BT 039 del REBT. La línea principal de tierra también se realizará con conductor de cobre desnudo de 50 mm2 de sección. Dicha línea se conectará en el Cuadro General de Baja Tensión a la pletina de puesta a tierra. Loas diferentes circuitos que salgan de dicho cuadro conectarán el cable de tierra a la misma pletina. La instalación eléctrica estará diseñada para ser operada de una forma manual por medio de un operador cualificado e instruido en la configuración particular de la instalación de una forma automática, por medio de un autómata que vigilará las variables del sistema y estará programado para accionar los distintos elementos dependiendo de las situaciones que se planteen de demanda y consumo de caudal de agua. La situación normal de funcionamiento será la segunda, esto es, la instalación será supervisada y controlada por el autómata que estará alojado en el cuadro General de Baja Tensión. Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 57 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA 10.3.- NORMATIVA APLICABLE En la elaboración de este proyecto se tendrá en cuenta todas las disposiciones vigentes que pudieran afectar a este tipo de actividad, en concreto las siguientes: Reglamento de Electrotécnico de Baja Tensión e Instrucciones Técnicas Complementarias. Reglamento de Verificaciones Eléctricas y regularidad en el suministro de energía eléctrica. Normas particulares de la Compañía Suministradora. Normas de Seguridad y la legislación referente a maquinaria. Normas DIN y UNE Normas VDE ó ANSI para equipos y materiales de procedencia extranjera. Cualquier otra ley, norma o reglamento señalado al efecto de por las autoridades competentes. 10.4.- CLASIFICACIÓN DEL LOCAL A EFECTOS DE INSTALACIÓN ELECTRICA Las instalaciones se realizarán el interior y en el exterior del edificio de la Estación de Bombeo aunque la mayor parte de la instalación eléctrica será en el interior del edificio. Dadas las características del local y la actividad a la que se destina, según lo dispuesto en el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión e Instrucciones Complementarias, esta clasificado como Local Húmedo. Por tanto, habrá de seguirse la Reglamentación vigente y en particular la instrucción ITC-BT-30 del Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión 10.5.- SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y POTENCIA A CONTRATAR El transformador a instalar deberá ser de la tensión primera de 15.000 voltios. La regulación de la tensión será de +/- 5-15 %. Las pérdidas del transformador deberán cumplir la recomendación UNESA 5201 en vigor para el cual recomienda una conexión Dy11. La potencia instalada vendrá dada por la suma de las potencias nominales de los diferentes motores o receptores. Para calcular la potencia a contratar se aplicará un Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 64 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Las señales de tensión se protegerán con interruptor automático magnetotérmico o bases portafusibles. Las señales de corriente procederán de transformadores de intensidad que registrarán el consumo total del Cuadro General de Baja Tensión. La alimentación del analizador de redes se protegerá con un interruptor automático magnetotérmico. SALIDA A MOTOR CON VARIADOR DE POTENCIA 15 KW Dispondrá de los siguientes elementos de protección: Interruptor automático magnético de 3 x 40 A con regulación y bobina de disparo, protección diferencial con ajuste de sensibilidad y tiempo formada por relé diferencial y transformador toroidal. El relé diferencial actuará sobre la bobina de disparo del interruptor automático. El variador de velocidad, que será capaz de regular las maniobras de arranque, paro y funcionamiento en carga del motor, posibilitará la regulación del flujo de caudal a bombear por la instalación. El variador tendrá protección térmica integrada e incorporará inductancias de línea de protección y filtros de protección. En modo manual, el arranque y paro del motor se realizará por medio de dos pulsadores (marcha y paro) y un selector de modo (manual y automático) Colocaremos también un piloto de fallo térmico en el frontal del armario. SALIDA A MOTOR CON ARRANCADOR ESTÁTICO DE POTENCIA 110 KW Dispondrá de los siguientes elementos de protección: interruptor automático magnetotérmico de 3x400 A con regulación y contactos auxiliares, protección diferencial con ajuste en sensibilidad y tiempo formada por relé diferencial y transformador toroidal. El relé diferencial actuará sobre la bobina de disparo del interruptor automático. El arrancador estático será de capaz de regular las maniobras de arranque y paro del motor. Esto posibilitará la realización de dichas maniobras de una forma progresiva y así poder evitar el golpe de ariete sobre la tubería de impulsión. Llevará incorporado protección térmica integrada y se le incorporarán las inductancias de línea de protección pertinentes. En modo manual, el arranque y paro del motor se realizará por medio de 2 pulsadores (marcha y paro) y un selector de modo (manual y automático). Existirá también un piloto de fallo térmico en el frontal del armario. SALIDAS DE ALUMBRADO Dispondrá de los siguientes elementos de protección: Interruptor automático magnetotérmico de calibre apropiado con contactos auxiliares con poder de corte según norma UNE-EN 60947,2 y protección diferencial fija formada por interruptor Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 65 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA diferencial que cumplirá con las normas UNE-EN 61008. El interruptor diferencial actuará sobre la alimentación de la línea directamente. TRANSFORMADOR DE MANIOBRA Se instalará un transformador de maniobra para suministrar tensión de mando a los distintos elementos del Cuadro General de Baja Tensión. Su transformación será de 400/230 voltios, con alimentación a dos fases. Estará protegido por ambos lados con protecciones magnetotérmicas apropiadas al consumo posible. 10.6.4.- BORNAS DE SALIDA Todas las líneas de salida partirán desde bornas situadas en la parte inferior del Cuadro General de Baja Tensión de la sección correspondiente al conductor. Todos los borneros estarán identificados, así como los cables que se conectan a los mismos con fundas portaetiquetas. 10.6.5.- ACOMETIDAS A MOTORES Y EQUIPOS Las acometidas serán a base de conductores unipolares o multipolares, de aislamiento exterior de polietileno reticulado y cubierta interior de PVC, tipo RV-k 0,6/1 KV de cuerda conductora de cobre. La acometida general, acometida a cuadro de rejilla y equipo de energía reactiva, serán las líneas principales. El resto de las acometidas se realizarán con conductores VOV-K 0,6/ 1 Kv fabricado según norma UNE 21022/IEC 228 con aislamiento de PVC, pantalla de trenza de cobre estañado y con la cubierta exterior de mezcla de PVC acrílico de alta flexibilidad. Dicho conductor estará especialmente diseñado para evitar posibles interferencias en los cables de señal adyacentes. Deberá cumplir la normativa europea de compatibilidad electromagnética. El tendido de los conductores se realizará de forma ordenada de manera que los cables no puedan ser dañados. Se distribuirán en las bandejas portacables en un máximo de dos capas. Se fijarán a las mismas con bridas de material plástico para que queden solidarias a las mismas. Los conductores se conectarán por medio de terminales de conexión del mismo material conductor. El acceso a la caja de bornas del motor o equipo se realizará bajo la canalización correspondiente. Se asegurará que la caída de tensión desde el transformador de potencia hasta el último equipo consumidor de energía no supera el 5 %. Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 66 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Se tendrá en cuenta que la intensidad máxima que va a circular por el conductor (intensidad nominal de motor o equipo In) es menor que la intensidad máxima que puede circular por él (Imáx.), es decir: In < Imáx 10.6.6.- ALUMBRADO La instalación del alumbrado podemos diferenciarla entre: - Circuito de alumbrado interior. - Circuitos de alumbrado exterior. Los dos circuitos de alumbrado interior serán comandados por sendos interruptores situados en la puerta de la Estación de Bombeo. Las luminarias a instalar en los circuitos de alumbrado interior serán del tipo luminaria industrial. Los equipos eléctricos de arranque se instalarán en la parte superior de las mismas y estarán preparados y dimensionados para la lámpara a alojar en la luminaria. Las lámparas serán de 250 w de potencia, de descarga de halogenuros metálicos. Dispondrán de un cierre exterior de cristal ajustable al reflector por medio de pestillas de fijación que proporcionará un grado de estanqueidad IP 65 al conjunto reflector más cristal. El reflector será de aluminio anodinado de gran pureza con el haz de luz proporcionado del tipo extensivo. La alimentación de las unidades será a la tensión de 220-230 voltios. La luminaria estará equipada con un elemento de sustentación que permita su instalación del techo del local, sujetado por cadena o sirga. La situación de cada aparato de alumbrado viene reflejada en planos, pudiéndose variar su posición durante el montaje para un mejor aprovechamiento de la iluminación prevista o para evitar posibles interferencias con otros equipos o elementos. El circuito de alumbrado exterior estará comandado por un interruptor astronómico. Estos interruptores permiten el control de la iluminación con una programación muy sencilla e instalación mínima, simplemente introduciendo la longitud y la latitud del emplazamiento geográfico de la aplicación y la fecha en la que nos encontremos, el interruptor astronómico calcula automáticamente las horas de puesta y salida del sol, siendo estas las horas en las que el dispositivo encenderá y apagará la iluminación respectivamente. El trazado del circuito será interior bajo canalización de PVC con salida al exterior en los puntos de instalación de las luminarias. El circuito accederá a la luminaria a través del brazo metálico que la sustenta a la pared. Las luminarias estarán formadas por carcasa de poliéster con fibra de vidrio, reflector de aluminio de alta pureza y cierre de policarbonato. Se les garantizará un grado de protección IP 65. Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 67 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Estarán preparadas para ser sustentadas por un brazo metálico de forma lateral a la pared exterior del edificio. 10.6.7.- ALUMBRADO DE EMERGENCIA En el perímetro interior del edificio de la estación de Bombeo se instalará un circuito de alumbrado de emergencia y señalización. Este tipo de alumbrado pretenderá proporcionar un nivel máximo de iluminación suficiente en caso de fallo del alumbrado normal. Estas luminarias dispondrán de un sistema de carga de pequeñas baterías que garantizará una autonomía de una hora en caso de fallo de red exterior. Incorporarán unas pequeñas lámparas incandescentes de señalización que indicaran su posición permanentemente encendidas. En caso de fallo de alimentación exterior la luminaria continuará internamente y pasará a autoalimentarse de sus propias baterías. Esta lámpara garantizará el nivel lumínico recomendado por la Instrucción Técnica correspondiente por el REBT, proporcionando un valor no inferior a 583 lúmenes. Dispondrán de una envolvente que les proporcionará un grado de estanqueidad IP-65. El circuito discurrirá desde el Cuadro General de Baja Tensión bajo canalización independiente de PVC con las correspondientes cajas de derivación por las paredes del edificio. 10.6.8.- SISTEMA DE CONTROL El sistema eléctrico de la Estación de Bombeo podrá funcionar de dos modos distintos: - Modo manual, según la acción del operador, supervisada por el autómata. - Modo automático. El operador tendrá la capacidad de controlar la instalación eléctrica a través de los selectores de posición de maniobra de los distintos motores. En dicho modo de operación, el autómata funcionará en modo de supervisión y tendrá la capacidad de mostrar alarmas del sistema si los parámetros a controlar se encuentran fuera de rango. Tendrá también la capacidad de proporcionar órdenes de arranque y paro de motores si dichos valores registrados pudieran ser peligrosos para la instalación. Por tanto, se diseñará el sistema para que, en cualquier modo de operación, el autómata supervise el sistema electro-mecánico y su funcionamiento. Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 68 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA En modo automático, el sistema eléctrico de la Estación de bombeo estará controlado por un autómata programable que se encargará de realizar las tareas de mando, control y supervisión de la estalación. Dispondrá de una pantalla táctil para la gestión de la información, situada en la puerta de uno de los módulos del armario. El arranque de las bombas se producirá en función de la presión constante seleccionada y requerida en el sistema (presión en el colector de impulsión controlada por un presostato con salida analógica 4-20 mA cuya señal se facilitará al autómata) y en función de los caudales demandados (obtenidos por el caudalímetro electromagnético situado en el colector de impulsión). Las bombas arrancarán sucesivamente de forma independiente hasta alcanzar un caudal máximo consignado para cada una de ellas en función del orden que se les establezca. Tras el arranque de una bomba equipada con arrancador progresivo, se esperará a que éste esté concluido antes de proceder al arranque de la siguiente. La parada de las bombas se ejecutará de forma gradual, conforme la presión demandada decrezca y el caudal requerido aumente con respecto a los valores consignados. Para ello se establecerá un lazo de control PID con las constantes de tiempo adecuadas. Los procesos de arranque y paro de las bombas serán en carga y el funcionamiento de las mismas será rotativo. Las que dispongan de variador de velocidad para la regulación del caudal de impulsión estarán siempre “disponibles” para proporcionar dicha regulación. AUTÓMATA PROGRAMABLE El autómata elegido pertenece a la marca Schneider debido a la fiabilidad, robustez y familiarización con instalaciones de bombeo de este tipo. De toda la gama ofrecida por dicha marca, el modelo elegido es el Modicon Premium que nos permite, dado el número de variables y entradas/salidas a controlar, una mayor rapidez en la ejecución de instrucciones. Además, es el propio fabricante el que nos propone, dada las características de la instalación, la utilización del dicho autómata como solución más eficiente. El autómata estará compuesto por el procesador, la fuente de alimentación y las tarjetas de entradas y salidas tanto digitales como analógicas para comunicarse con los variadores y arrancadores, así como poder controlar la presión y las posibles alarmas. Dentro de la gama Premium, el procesador elegido es el TSXP57204M con las siguientes características: Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 69 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Número de entradas/salidas Ton 1024 Analógicas 80 Regulación Integrada Si Vías de funciones específicas Contaje, posicionamiento, pesaje,… 24 Bus Cableado ___ As- Interface 4 Máquina CANopen 1 CAMPO INTERBUS, Profi bus DP 1 Redes Ethernet ModBus Flipway 1 Capacidad de Memoria Integrada 160/192 Kb datos/prog. Ampliación PCMCIA 768 Kb prog. Tiempo de Ejecución para una instrucción Booleana 0,19 µs En palabra o aritmética 0,25 µs El número de módulos de entradas y salidas a incluir en el rack dependerá del número de entradas y salidas que se prevé que tenga. Además se le dejará alguna tarjeta libre para futuras modificaciones o ampliaciones. PANTALLA INTERFACE La pantalla elegida para esta instalación, que es acorde a la misma y a las necesidades que presenta, es una Magelis táctil de la marca Telmecanique modelo XBTGT 5230 cuyas características se especifican a continuación. Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 70 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Visualización Tamaño de la Pantalla 10,4 “ Tipo (color) STN Numero de Colores 4096 Funciones Representación de las variables Alfanumerica, botón, piloto.etc Curvas Si, con histórico Históricos de alarmas Sí, incorporado Comunicación Protocolos transferibles Uni-Te Modbus Modbus TCP/IP Bus y Redes Ethernet IEEE 802.3 10/100 RJ-45 Protocolo de Terceros Mitsubishi, Omron, Rockwell Automatión Siemens Dimensiones (mm) 313 x 56 x 239 Compatibilidad con Autómatas Twido Nano Tsx Micro Premium Quantum M340 Ranura “Compact Flash” Si Puertos USB 2 Entrada Vídeo No Ethernet Integrado TCP/IP Si Tensión de Alimentación 24 Vcc El diagrama del funcionamiento global es el siguiente: Título del Proyecto Sistema de bombeo eficiente con variadores de frecuencia Fecha Aprobación 4/5/10 Título del Documento Memoria Nº Edición 4 71 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA